Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы построения расписания работы рабочих мест групповых поточных линий (ГПЛ) 17
1.1. Характеристика групповых поточных линий, как объекта исследования 17
1.2. Проблема автоматизации оперативного управления ГПЛ и место в ней модели производственного процесса 24
1.3 Задача составления расписания работы рабочих мест групповых поточных линий 31
1.4. Анализ возможных подходов и методов решения задачи составления расписания 38
1.4.1. Анализ эвристических методов составления расписания 40
1.4.2 Анализ точных комбинаторных методов дискретного программирования 48
1.4.3 Анализ приближенных методов решения комбинаторных задач. 52
Выводы 55
2. Комплексный комбинаторный метод построения расписания работы рабочих мест груповых поточных линий 57
2.1. Выбор критерия оптимальности и построение критериальной функции 57
2.2. Комплексный комбинаторный метод оптимизации расписаний работы рабочих мест групповых поточных линий 64
2.3 Особенности алгоритма комплексного комбинаторного метода оптимизации расписания работы рабочих мест 72
2.4 Анализ комплексного комбинаторного метода оптимизации расписаний работы рабочих мест групповых поточных линий 75
Выводы 77
3. Общий контур и комплекс алгоритмов автоматизированной системы оперативного управления групповыми поточными линиями 79
3.1 Общий контур автоматизированной системы оперативного управления групповыми поточными линиями 79
3.2 Алгоритмы формирования номенклатурного плана запуска деталей в обработку на ГПЛ 96
3.3 Алгоритм расчета коэффициентов загрузки оборудования по рабочим местам групповой поточной линии 101
3.4. Алгоритмы моделирования процесса производства на ГПЛ 107
3.4.1 Оптимизация очередности запуска деталей и групп деталей в обработку 107
3.4.2. Алгоритм формирования матрицы тру доем костей обработки партий деталей на ГПЛ 108
3.4.3. Алгоритм моделирования процесса производства на ГПЛ 110
3.5. Алгоритм совмещения модели с календарным периодом 119
3.6. Алгоритм формирования расписаний работы рабочих мест на ГПЛ 135
3.6.1. Формирование расписания работ ГПЛ как основа временной регламентации его функционирования 135
3.6.2. Исходные параметры формирования расписания работ ГПЛ на текущий шаг управления 140
3.6.3. Алгоритм расчета фактических координат начала формирования расписаний работы рабочих мест ГПЛ 142
3.6.4. Алгоритм расчета фондов времени и координат формирования расписаний работы рабочих мест ГПЛ 144
3.6.5. Алгоритм определения теоретических координат окончания формирования расписаний работы рабочих мест ГПЛ 148
3.6.6. Алгоритм формирования объема выполняемых работ рабочими местами за шаг управления 148
3.7 Алгоритмы учета и анализа выполнения расписаний работы рабочих мест на ГПЛ 157
3.7.1.У чет выполнения расписаний работы рабочих мест за шаг управления 157
3.7.2. Пооперационный учет выполнения сменно-суточных заданий рабочими местами ГПЛ 158
3.7.3. Анализ выполнения расписаний работы рабочих мест на ГПЛ.. 163
Выводы 169
4. Информационное обеспечение автоматизированной системы оперативного управления групповыми поточными линиями 171
4.1 Классификация и кодирование информации формируемой информационной базы системы 173
4.2 Логическая и физическая структуры информационной базы и ее концептуальная модель 179
4.3. Состав входных - выходных документов информационной базы системы 181
4.4 Система внесения изменений в информационную базу 189
4.5. Примеры алгоритмов по внесению изменений в информационную базу системы 199
Выводы 202
Заключение 204
Список литературы 206
Приложения 217
- Проблема автоматизации оперативного управления ГПЛ и место в ней модели производственного процесса
- Комплексный комбинаторный метод оптимизации расписаний работы рабочих мест групповых поточных линий
- Алгоритм расчета коэффициентов загрузки оборудования по рабочим местам групповой поточной линии
- Состав входных - выходных документов информационной базы системы
Введение к работе
Сложность и динамизм современного общественного производства, происходящая в мире научно-техническая революция предопределяют объективную необходимость перехода экономики страны к принципиально новым организационно-хозяйственным формам и методам. Повышение экономической эффективности общественного производства должно органически сочетаться с необходимостью дальнейшего совершенствования организации производства и управления.
Наибольшее повышение эффективности общественного производства может быть достигнуто за счет автоматизации как процессов производства, так и процессов управления. Поэтому основными направлениями экономического и социального развития страны долгие годы являлись [13,19]:
широкое внедрение гибких переналаживаемых производств на базе группового производства;
разработка систем автоматизированного проектирования;
создание машин и оборудования со встроенными средствами микропроцессорной техники;
внедрение многооперационных станков с числовым программным управлением.
К сожалению, экономическая ситуация, сложившаяся в России, привела
к спаду производства. Поэтому в настоящее время в сферу развития основных
отраслей российской промышленности положена ориентация на
инновационную модель, актуальными становятся проблемы создания автоматизированных систем управления первичными производственными системами.
Для повышения качества управления и уровня автоматизации процессов проектирования новой продукции и технологии необходимо последовательно повышать организационную и технологическую гибкость производства, внедрять автоматизированные системы в различные сферы
производства, и в первую очередь в проектирование, управление оборудованием и технологическими процессами [26,30,32,64]. Создать комплексно-автоматизированные производства, которые можно быстро и экономично переналаживать [23,92].
Важным этапом в их создании является развитие теории группового производства, являющейся основой организации автоматических технологий [61,79]. На первом Международном семинаре по групповой технологии в 1969 году групповая технология была провозглашена решающим шагом в области организации производства, сравнимым по своему значению с введением в начале двадцатого столетия поточного производства. На первой международной конференции по гибким автоматизированным производствам в Брайтоне в 1982 г. отмечалось, что групповая организация производства должна стать базой для создания автоматических предприятий.
Групповое производство в настоящее время принято за организационную основу создания гибких автоматизированных производств и применяется во многих индустриально развитых странах: США, Англии, ФРГ, Японии, Франции, Италии, Швеции, Австралии [19,23].
Групповое производство обладает очевидными преимуществами, которые проявляются в рациональном сочетании технической, технологической и организационной сторон производственного процесса, и являются по существу организационно-технологической предпосьикои формирования и внедрения гибких производственных систем (ГПС). Но, формируя гибкую производственную структуру предприятий, необходимо ориентировать их на потенциально-допустимые типы поточных линий. Решение этого вопроса зависит от правильности выбора методик расчета параметров поточной линии.
Одной из важнейших задач, решаемых при создании групповых поточных линий (ГПЛ), является задача автоматизации их оперативного управления, ядром которой в свою очередь является формирование календарных запусков рабочих мест.
7 В условиях рыночной экономики предприятия вынуждены постоянно
обновлять номенклатуру выпускаемых изделий. По прогнозам специалистов
прирост производства в промышленности увеличится на 10 -20 % к 2010 году.
Намечаемое оживление в развитии промышленного производства в России
приводит к необходимости решения целого ряда проблем совершенствования
планирования и управления производственными объектами, одной из которых
является проблема совершенствования систем управления первичными
производственными подразделениями, в том числе групповыми поточными
линиями.
Среди задач планирования и управления задачи календарного планирования относятся к числу наиболее сложных задач внутризаводского планирования [35,50], Но вместе с тем, от качества календарных план-графиков работы цехов и их производственных участков зависит ритмичность выпуска продукции, время простоев оборудования, объем незавершенного производства, себестоимость изготовления продукции. Особенно сложным является календарное планирование в условиях предприятий с серийным и мелкосерийным типом производства, удельный вес которого в общем объеме производства неуклонно растет.
Наиболее совершенной формой представления оперативно календарного плана является расписание работы первичной производственной системы, обеспечивающее экономически оптимальное взаимодействие людей, средств производства и предметов труда в пространстве и во времени [20,48,98]. Однако, несмотря на большое количество работ в этой области, выполненные как у нас в стране, так и за рубежом, до настоящего времени нет универсального метода построения такого расписания работы. Это объясняется сложностью и большой размерностью задачи, что ведет к многовариантности ее решения. У нас в стране среди работ, посвященных этой проблеме, следует выделить труды Валькова А.С., Дудорина В.И., Митрофанова СП., Парамонова Ф.И., Петрова В.А., Шубкиной И.П., а за рубежом - Беллмана Р., Джонсона СИ., Конвея Р.В. и др.
Остро проблема составления расписания встает и в условиях группового производства, а также развивающихся на их основе и внедряемых в производство гибких производственных систем (ГПС), так как по данным литературных источников простои ГПС обходятся в 8-10 раз дороже простоя обычных производственных подразделений [19,92].
Выбор ГПЛ в качестве объекта исследования обусловлен тем, что для условий серийного и мелкосерийного типа производства они являются наиболее эффективной формой организации производства, что подтверждается их использованием на ведущих предприятий передовых зарубежных стран.
В связи с этим встает проблема обеспечения их наиболее эффективного функционирования, как за счет повышения технико-организационных характеристик, так и за счет повышения качества управления.
В качестве основных задач, от решения которых в значительной мере зависит эффективность работы ГПЛ, многие авторы выделяют задачи оперативно-календарного и оперативно-производственного планирования [26,71,90].
К методам их решения предъявляется ряд специфических требований:
методы построения расписания работы ГПЛ должны позволять получать оптимальные или близкие к ним решения на всех этапах планирования и управления;
время на получение решения на этапе оперативного управления работой ГПЛ используемым методом должно быть минимальным;
методы должны позволять строить расписания работы, начиная с любого рабочего места и любой обрабатываемой партии деталей.
Поскольку такие методы в современных условиях должны базироваться на автоматизации решения задач календарного планирования, целью настоящего исследования является разработка автоматизированной системы оперативного управления первичными производственными системами на базе групповых поточных линий. Цель диссертационной работы определила комплекс решаемых в ней задач:
- выбор критерия оптимальности и формирование целевой функции
задачи оптимизации расписания работы рабочих мест ГПЛ;
анализ методов формирования расписания рабочих мест ГПЛ и разработка на их основе комплексного метода оптимизации расписаний, позволяющего получать оптимальные решения как при неизменной, так и при произвольной очередности запуска партий деталей на различных рабочих местах;
систематизация возмущающих воздействий процесса производства и разработка на ее основе общего контура автоматизированной системы оперативного управления поточно - групповым производством;
разработка программно - алгоритмического обеспечения для решения задач контура управления автоматизированной системы оперативного управления поточно - групповым производством;
- обоснование и разработка информационной базы данных,
обеспечивающей эффективное функционирование представленной
автоматизированной системы оперативного управления объектом.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.
Во введении сформулирована и обоснована цель диссертационного исследования и определен комплекс решаемых в ней задач.
В первой главе изложен анализ проблемы формирования расписаний работы рабочих мест групповых поточных линий, являющихся ядром системы оперативного управления, в том числе, и автоматизированной системы управления групповыми поточными линиями [48,64,79,89]. В ней изложена общая характеристика ГПЛ как объекта диссертационного исследования, показано, что объективной закономерностью научно-технического развития явилось групповое производство, которое прошло в своем развитии три этапа. На первом этапе оно реализовывалось на технологической форме специализации первичных производственных систем. На втором этапе своего развития фуп повое производство основывалось на предметной форме
10 специализации, что потребовало коренной перестройки сложившихся
производственных структур многих машиностроительных предприятий. В
результате на этом этапе своего развития групповое производство приняло
форму групповых поточных линий. На третьем этапе групповое производство
приняло форму гибких производственных систем, на которых
автоматизированы как трудовые процессы, так и процессы оперативного
управления. В результате на них имеет место комплексная автоматизация
процессов производства. Организационной основой гибких производственных
систем принято считать групповые поточные линии, и следовательно гибкие
производственные системы представляют собой логическое развитие
группового производства.
Поскольку основой оперативного управления первичными
производственными системами, в том числе, групповыми поточными линиями
являются расписания работы их рабочих мест, в этой же главе изложен анализ
известных в специализированной литературе методов их формирования. Из
существующих методов наиболее признанными являются:
метод минимизации положительных смещений;
аналитико-приоритетный метод;
метод последовательного анализа вариантов;
метод ветвей и границ;
методы поиска локально-оптимальных решений комбинаторных задач.
Все множество этих методов дифференцировано на точные и приближенные. По результатам проведенного анализа[83.,89,122] показано, что в условиях поточно-группового производства в основу решений задачи формирования расписания работы рабочих мест до сих пор наиболее целесообразным считалось закладывать приближенные методы, что диктовалось большой размерностью решаемой задачи и особенностями ее целевой функции, существенно снижающими эффективность точных расчетных схем. Но в то же время делается вывод, что постоянный рост
вычислительных мощностей ЭВМ и успехи, достигнутые в области разработки и применения точных и гибридных комбинаторных методов, предопределяют дальнейший переход к точным методам решения анализируемой задачи.
Во второй главе формируется целевая функция задачи оптимизации расписания работы рабочих мест ГПЛ и приводится разработанный в ходе диссертационного исследования метод ее решения, получивший в данной работе название комплексного комбинаторного метода оптимизации расписания рабочих мест групповых поточных линий (оптимизации очередности запуска партий деталей на рабочих местах ГПЛ).
В ходе формирования целевой функции указанной задачи проводится анализ используемых на практике критериев оптимальности расписания рабочих мест ГПЛ, в качестве которых наиболее часто выступают: максимум загрузки оборудования, минимум отклонения от директивных сроков изготовления деталей, минимум затрат на переналадку оборудования, максимум использования трудовых ресурсов, минимум стоимости незавершенного производства, минимум длительности совокупного производственного цикла. По результатам проведенного анализа делается обоснованный вывод о том, что наиболее целесообразным является формирование целевой функции рассматриваемой задачи на основе последнего из приведенных критериев, так как он косвенным образом учитывает большинство показателей, отражающих эффективность процесса производства.
Разработанный в результате диссертационного исследования комплексный комбинаторный метод оптимизации очередности запуска партий деталей на рабочих местах ГПЛ представляет собой гибридную вычислительную процедуру, сочетающую в себе идеи нескольких методов дискретного программирования. Схема его расчетов заключается в последовательном выполнении трех автономных алгоритмов формирования расписания с передачей последовательно улучшаемых решений от одного алгоритма к другому: алгоритма случайного поиска, поиска на
12 перестановочной решетке и поиска по схеме метода ветвей и границ. Смысл такой схемы расчетов заключается а генерировании для точного метода ветвей и границ начального заведомо хорошего (локально оптимального) решения. В результате существенно поднимается эффективность используемых в этом методе отсечений, что приводит к сокращению времени поиска глобально оптимального решения задачи. Описываются особенности алгоритма этого метода при отказе от принципа неизменной очередности запуска партий деталей одной номенклатуры на различных рабочих местах ГПЛ и при учете в общем времени производственного цикла профилактических и регламентных работ.
Основные преимущества предлагаемого метода по сравнению с известными сводятся к следующему.
Во-первых, в отличие от получивших распространение эвристических методов оптимизации очередности обработки партий деталей предлагаемый метод является точным и, таким образом, обеспечивает нахождение глобального оптимального решения.
Во-вторых, разработанный метод позволяет решать задачу
оптимизации расписаний как с неизменной, так и с произвольной очередностью обработки деталей на различных рабочих местах ГПЛ.
В-третьих, при оптимизации очередности обработки партий деталей приведенным методом одновременно с расчетом очередности проводится построение самого расписания работ, что позволяет уменьшить время на решение этой задачи.
В-четвертых, приведенный метод позволяет формировать расписание работ, начиная с любого рабочего места ГПЛ, не изменяя расписания работ на предыдущих операциях, что делает этот метод более гибким по сравнению с существующими.
В третьей главе диссертационного исследования описаны общий контур предлагаемой автоматизированной системы управления групповыми поточными линиями и алгоритмы функционирования каждого из ее блоков.
13 Этот контур включает в свой состав следующие блоки (модули):
формирование номенклатурного плана запуска деталей в обработку на ГПЛ;
расчет загрузки оборудования;
формирование модели производственного процесса на очередной шаг управления;
формирование расписаний работы рабочих мест групповых поточных линий на очередной шаг управления;
учет и анализ хода производства при функционировании ГПЛ.
В блоке формирования номенклатурного плана запуска деталей в
обработку рассчитывается оптимальная партия и периодичность запуска
деталей в обработку по критерию минимума совокупной длительности
производственного цикла (обоснование которого рассмотрено во второй
главе). В блоке расчета загрузки оборудования после определения состава
рабочих мест осуществляется расчет оптимальных значений коэффициентов
загрузки каждого рабочего места, исходя из рассчитанных для него текущего
фонда времени и трудоемкости обработки заданной для данного рабочего
места номенклатуры деталей. В блоке формирования модели
производственного процесса на очередной шаг управления производится
расчет матрицы трудоемкости обрабатываемых деталей с учетом оптимальной
очередности их запуска, которая определяется при помощи предложенного
автором комплексного комбинаторного метода оптимизации работы рабочих
мест ГПЛ. Формирование расписаний работы рабочих мест групповых
поточных линий производится на основе разработанной модели
производственного процесса, учитывающей смещения времен начала обработки партий деталей на подающем и принимающем рабочих местах, совмещенной с календарем планируемого периода [79]. В блоке учета и анализа хода производства на ГПЛ выявляются отклонения по различным параметрам от запланированного объема работ за истекший шаг управления.
14 В четвертой главе представлено разработанное в ходе
диссертационного исследования информационное обеспечение системы
оперативного управления групповыми поточными линиями. Выявлены
исходные предпосылки формирования ее информационной базы. Разработана
классификация данных, требующихся для поддержания эффективной работы
системы. Разработаны концептуальная, логическая и физическая модели
информационного обеспечения.
Разработанная концептуальная модель информационной базы данных системы управления ГПЛ учитывает специфику поточно - группового производства и определяет связи и направление потоков информации между информационными объектами базы данных автоматизированной системы оперативного управления ГПЛ, в качестве которых выделены блоки исходной и рабочей информации.
Предложенная концептуальная модель обладает свойством стабильности даже при изменении логической и физической структуры информационной базы.
Разработанная логическая структура базы данных отражает объекты системы и логические взаимосвязи между ними. Физическая модель представляет способ организации данных на магнитных носителях.
В этой же главе определен состав информации, подвергающейся корректировке под воздействием возмущающих факторов внешней и внутренней среды рассматриваемого контура управления. Разработана принципиальная схема системы внесения изменений в информационную базу и учета этих изменений в алгоритмах задач, решаемых на этапе функционирования автоматизированной системы оперативного управления ГТШ. Представлены примеры алгоритмов по внесению изменений в созданную информационную базу системы.
Представлено также внешнее информационное обеспечение, при этом определен состав входных и выходных форм документов, требования, предъявляемые к ним.
15 В заключении отмечается научная новизна и основные результаты
работы. К основным полученным в диссертационном исследовании научным
результатам относятся:
обоснование групповых поточных линий, как одной из наиболее перспективных форм организации производства в условиях серийного и мелкосерийного производства;
обоснование тезиса о том, что одним из сдерживающих факторов широкого внедрения групповых поточных линий в практику работы машиностроительных предприятий является отсутствие оперативного управления, адекватно отвечающего специфике поточно-группового производства;
разработка автоматизированной системы оперативного управления групповыми поточными линиями;
-разработка точного комплексного комбинаторного метода решения задачи формирования оптимального расписания работы рабочих мест ГПЛ;
-разработка комплекса алгоритмов реализации предлагаемой системы оперативного управления в автоматизированном режиме;
-разработка информационного обеспечения предлагаемой
автоматизированной системы оперативного управления групповыми поточными линиями.
Полученные результаты имеют теоретическую и практическую значимость.
Их теоретическая значимость выражается в том, что они развивают теорию организации и управления серийного и мелкосерийного производства за счет широкого внедрения поточно-группового производства. Его внедрение в современных условиях возможно лишь на путях разработки комплексно-автоматизированной системы оперативного управления, предлагаемой в диссертации.
Практическая значимость полученных результатов выражается в том, что они могут быть использованы при внедрении в производство поточно-
групповых методов его организации, в том числе и при создании гибких производственных систем, предусматривающих автоматизацию как трудовых, так и управленческих процессов.
Проблема автоматизации оперативного управления ГПЛ и место в ней модели производственного процесса
Построение автоматизированных систем управления предприятиями, как иерархических систем предполагает решение вопроса о распределении функций, выполняемых системами разных уровней иерархии[1,4,67]. В связи с этим рассмотрим функции, которые должны реализовываться автоматизированной системой управления ГПЛ.
Координация работы ГПЛ с другими производственными подразделениями предопределяет необходимость обмена информацией между АСОУ ГПЛ и системами более высокого иерархического уровня, т.е. АСУ цеха или АСУ предприятия. В качестве основной нормативной информации, поступающей в автоматизированную систему оперативного управления ГПЛ на принятый период планирования, выступает план производства по объему и номенклатуре. Причем, в течение периода планирования в плановое задание могут быть внесены коррективы, как по объему выпуска, так и по номенклатуре выпускаемых деталей и сборочных единиц.
Для выполнения производственного задания автоматизированная система управления производством должна иметь связь с АСУ ТИП с целью получения нормативной информации о технологических процессах обработки, требуемых приспособлениях и инструментах, программах для оборудования с ЧПУ и т.д. Основной выходной информацией АСОУ ГПЛ на этом уровне является информация о ходе выполнения производственных заданий, а при необходимости оперативная информация о ходе производственного процесса на ГПЛ.
Следующим иерархическим уровнем АСУП является автоматизированная система оперативного управления ГПЛ. Для обеспечения нормальной работы ГПЛ автоматизированная система управления производством должна решать следующие задачи [80]: - расчет оперативно-календарных и оперативно-производственных планов работы; оперативного управления ходом производственного процесса; комплектации рабочих мест ГПЛ материалами, заготовками и инструментом, программами для оборудования с ЧПУ в случае необходимости и т.д. Диспетчирование ходом производства в особо сложных случаях, т.е. выходящих за рамки возможностей программного обеспечения, предопределяет необходимость принятия решения оператором. Поэтому система управления должна позволять отображать информацию необходимую ему для принятия обоснованного решения, а дальнейшая реализация этих решений системой управления производством требует организации диалогового режима работы между пользователем и ПЭВМ. Управление исполнительной системой управления ГПЛ транспортом и складом требует организации взаимодействия между автоматизированной системой управления производством и АСУ ТП. Выходной информацией для автоматизированной системы управления производством ГПЛ в данном случае является информация о регламентации хода производственного процесса по элементам исполнительной системы и во времени, т.е. расписание работы рабочих мест или очередность обработки партий деталей по операциям технологического процесса. В качестве информации обратной связи здесь выступает информация о фактическом выполнении производственного процесса. Перечисленные выше задачи, реализуемые автоматизированной системой управления ГПЛ, по мнению ряда авторов являются наиболее типичным. [24,89]. Но в некоторых конкретных случаях может происходить изменение соотношения этих задач в иерархии уровней. Однако, в качестве основной задачи, решаемой АСУ ГПЛ все авторы выделяют задачу оперативного планирования работы ГПЛ. Это объясняется тем, что от эффективности принятых на этом этапе решений существенно зависит эффективность работы ГПЛ. Например, от качества расписания работы рабочих мест ГПЛ зависит величина потерь рабочего времени по организационно-техническим причинам и объем незавершенного производства. С другой стороны все остальные задачи реализуются в ходе выполнения решений, принятых на этапе оперативно-календарного и оперативно-производственного планирования. Внутрицеховое оперативно-календарное планирование является заключительным этапом производственного планирования. Оно содержит задачи расчета календарно-плановых нормативов, план - графики работы первичных производственных систем, задачи планирования деятельности бригад и отдельных рабочих, а также расчеты суточных и сменных заданий. Сложность решаемых на этом этапе задач в условиях ГПЛ объясняется тем, что при решении задач оперативно-календарного планирования и особенно оперативно-производственного планирования должны быть получены наиболее детальные результаты, точно отражающие условия производственного процесса. А это предполагает: а) наличие наиболее детализированной и достоверной информации, что естественно ведет к увеличению ее объема; б) учет факторов, которые обычно опускаются при планировании на верхних иерархических уровнях управления. Например, условие целочисленности ряда переменных, введение которых значительно затрудняет процесс получения решения из-за отсутствия эффективных методов для задач подобного класса; в) для адекватного отражения динамики производственного процесса задачи оперативно-производственного планирования должны решаться с малой периодичностью, вплоть до сменного уровня. Последнее требование возникает в связи с недостаточно высокой надежностью технических систем ГПЛ и предъявляет жесткие требования как к алгоритмам получения решения и их программной реализации, так и к мощности средств вычислительной техники. Среди задач оперативно-календарного и оперативно-производственного ланирования необходимо выделить задачу расчета оптимальной по критерию длительности совокупного производственного цикла очередности обработки партий деталей по операциям технологического процесса. Это объясняется двумя причинами: Во-первых, задача расчета оптимальной очередности обработки партий деталей по операциям технологического маршрута относится к классу NP-полных задач, для которых в настоящее время не существует метода получения точного решения, имеющего полиноминальную зависимость времени решения от размерности задачи, что существенно затрудняет решение этой задачи на практике; Во вторых, рассчитанная оптимальная очередность обработки партий деталей по операциям технологического маршрута при заданных организационно-технологических условиях производства практически однозначно определяет параметры модели производственного процесса и расписания работы рабочих мест ГПЛ, которое формиру е тся на основе модели процесса производства. На основе анализа современной литературы [68,89,122] сейчас можно выделить два используемых на практике подхода в решении задачи расчета очередности обработки партий деталей.
Комплексный комбинаторный метод оптимизации расписаний работы рабочих мест групповых поточных линий
Задача оптимизации очередности запуска партий деталей относится к классу комбинаторных задач дискретного программирования, методы решения которых достаточно подробно рассматривались в предыдущей главе. Как указывалось в приведенном обзоре, комбинаторное программирование не имеет так называемого математического ядра - группы теорем, на основании которых может быть получено большинство практических рекомендаций по поиску оптимального решения формулируемых задач данного типа. Именно поэтому данный раздел математики характеризуется отсутствием универсальных эффективных методов (точнее наличием неэффективных универсальных методов), широким распространением эвристических приближенных алгоритмов и использованием такого непродуктивного приема, как сведение одних постановок задач к другим. Тем не менее, успехи, достигнутые в области вычислительной техники, предоставляют возможность в определенной мере компенсировать недостаточную эффективность точных универсальных методов решения дискретных задач и использовать их алгоритмы либо самостоятельно, либо в комплексе с эвристическими методами оптимизации производственных процессов или методами поиска локального экстремума.
Отсутствие универсальных методов означает, что любые незначительные отличия возникающих постановок приводят к невозможности использования уже отработанного алгоритма. Поэтому для решения задачи оптимизации расписания предлагается использовать комплексный метод с несколько отличающимися схемами расчетов для постановок с неизменной и произвольной очередностями выполнения работ на различных рабочих местах.
Задача определения оптимальной очередности запуска деталей в обработку относится к группе перестановочных задач комбинаторного программирования, множество решений которых представляет собой так называемый перестановочный многогранник, то есть векторную решетку с возможностью перехода в любое решение за конечное число перестановок. Перестановочный многогранник является матроидом - комбинаторным множеством, на котором имеет место совпадение локального и глобального оптимумов целевых функций определенного вида. Для тогогчтобы локальный и глобальный экстремумы целевой функции совпадали на матроиде, эта функция должна быть дискретно-выпуклой. Дискретно-выпуклой называют функцию дискретных переменных, обладающую свойствами, аналогичными свойству выпуклости целевой функции непрерывных экстремальных задач. На матроиде может быть введено понятие градиента дискретно-выпуклой функции и на его основе получено конструктивное условие экстремума. Для решения в этом случае используют алгоритмы, аналогичные алгоритмам градиентных методов решения непрерывно-экстремальных задач. Эти алгоритмы характеризуются временем сходимости, на порядки превышающим это время для переборных (универсальных точных) методов решения. Для зависимости суммарной продолжительности цикла работ от порядка их выполнения на рабочих местах, по всей вероятности, не представляется возможным аналитически доказать ее дискретную выпуклость ввиду параллельности обработки партий деталей одной номенклатуры на разных рабочих местах и включения в продолжительность цикла работ разовых и регулярных профилактических ремонтов. Поэтому для решения рассматриваемой задачи предлагается метод оптимизации, в котором реализуется несколько последовательных процедур поиска по перестановочному многограннику с различными отправными точками и дальнейшее использование наилучшего из полученных вариантов в качестве начального решения в алгоритме метода ветвей и границ, скорость сходимости которого в значительной мере зависит от качества начального приближения. При этом для реализации перестановочного алгоритма на множестве решений задачи вводится понятие окрестности точки, в качестве которого выступает множество комбинаций перестановок, которые могут быть получены из рассматриваемой за одну транспозицию, то есть за одну перемену местами (очередностями) двух произвольных партий деталей. В окрестности точки ищется перестановка с наилучшим значением целевой функции задачи, которая затем принимается в качестве следующего анализируемого варианта (следующей точки поиска). Поскольку определить число локальных минимумов задачи не представляется возможным, число реализаций поиска по перестановочному многограннику ограничивается заданным числом попыток.
Алгоритм метода представляет собой объединение трех автономных алгоритмов формирования расписания с последовательным выполнением каждого из них и передачей полученного оптимального решения от одного алгоритма к другому: а) метода случайного поиска; б) метода поиска по перестановочной решетке; в) метода ветвей и границ.
Алгоритм случайного поиска для неизменной очередности партий деталей на различных рабочих местах заключается в следующем. Каждому номеру очереди (кроме последнего) ставится в соответствие непрерывный числовой интервал от 0 до 1. Каждый из интервалов разбивается на число частей, соответствующее числу партий деталей, которые можно поставить в этот номер очереди. То есть, для первого номера очереди - на М частей (поскольку для запуска можно выбирать все детали), для второго номера очереди - на М-1 часть (поскольку для запуска можно выбирать М-1 деталь - одна из партий деталей уже включена в первую очередь) и так далее, кроме последнего номера очереди, для которого остается только одна, еще не включенная в очередь деталь.
Алгоритм расчета коэффициентов загрузки оборудования по рабочим местам групповой поточной линии
На втором этапе моделирования формируется матрица трудоемкостей обработки партий деталей для всех групп деталей, обрабатываемых на ГПЛ по вариантам запуска планируемого периода. Сформированная матрица является необходимым элементом расчета времени смещений обработки деталей. Организационно - экономическая сущность задачи заключается в расчете времени, необходимого для обработки на станке детали с учетом ее входимости в запускаемый в обработку вариант. При определении партионной трудоемкости учитываются следующие данные; подготовительно — заключительное время: время наладок(для каждой группы деталей) и подналадок (для каждой детали) оборудования по операциям СТМ ГПЛ; штучные операционные нормы времени и партии обработки деталей; технологические характеристики оборудования. При решении задачи должно быть соблюдено условие неизменности технологической специализации рабочих мест, а также очередности обработки групп и входящих в них деталей. Штучное время деталей групп необходимо представить в матрице с учетом рассчитанной выше очередности запуска и откорректировать с учетом подготовительно — заключительного времени. Для детали первой очереди запуска в качестве подготовительно заключительного времени учитываем время наладки оборудования, а для деталей всех последующих очередей запуска деталей - время подналадки. Далее осуществляется учет партий запуска, рассчитанных на этапе проектирования на основе нормативных значений в соответствии с формулой (3.2 ). Формула (3.2) позволяет определить так называемый нормативный размер партии. Поскольку фактическое количество обрабатываемых на ГПЛ деталей может отклоняться от расчетного введено понятие обрабатываемой партии, которая определяется в результате анализа фактического выполнения расписания в текущем шаге управления, с учетом фактического состояния обработки деталей. Такие отклонения должны учитываться при очередном запуске, в результате чего появляется необходимость ввода понятия запускаемой партии деталей в обработку. Таким образом, в зависимости от этапа реализации алгоритма (проектирование или функционирование) используется соответствующий вид партии. В общем виде схема расчета трудоемкости обработки деталей (в часах) представлена формулой 3.15: гдетрудоемкость обработки і-й партии деталей на j -й операции; - подготовительно заключительное время; - штучная норма времени і-й партии деталей на j -й операции; На третьем этапе МГШ при заданной очередности деталей и групп деталей, а также исходя из сформированной матрицы трудоемкости обработки деталей на рабочих местах ГПЛ осуществляется расчет следующих параметров: времени опережения обработки деталей, групп деталей и вариантов запуска на технологически связанных парах рабочих мест ГПЛ; простоев (резервов времени) рабочих мест при переходе от обработки деталей одного варианта их запуска к другому; трудоемкости обработки вариантов запуска деталей по рабочим местам сводного технологического маршрута на ГПЛ; Ути параметры определяют собой модель процесса производства на ГПЛ, построенную по методу Парамонова Ф.И. [71], т.к. они совместно с исходными данными позволяют определять моменты времени начала и окончания обработки партии деталей каждого наименования по рабочим местам ГПЛ. Таким образом, осуществляется полная регламентация процесса производства на ГПЛ во времени. Как показала практика, оптимизировать движение деталей по рабочим местам и управлять производственным процессом на ГПЛ возможно только на основе модели. Модель описывает производственный процесс обработки деталей и групп деталей в пространстве и во времени и при этом играет роль дисциплинирующего условия организации своевременной подачи деталей на сборку. Управление вне модели приводит к распаду групповой обработки деталей. Поэтому основой автоматизации оперативного управления производством является модель процесса производства. Построение модели сводится к тому, что на основе номенклатурного плана запуска-выпуска деталей на ГПЛ описывается движение во времени всей номенклатуры деталей по рабочим местам ГПЛ и можно представить модель в графическом виде. Организационно - экономическая сущность алгоритма расчета смещений на технологически связанных парах рабочих мест состоит в том, что процесс обработки деталей на рассматриваемом объекте увязывается так, чтобы ни начало, ни окончание выполнения каждой последующей операции СТМ не опережало начало и окончание их обработки на предыдущей операции. За критерий подобной увязки времен обработки деталей, групп деталей и вариантов запуска принимается длительность цикла. Суть метода заключается в том, что при моделировании на каждой технологически связанной паре рабочих мест рассчитываются смещения (опережения): 1) деталей внутри каждой группы; 2) групп деталей внутри каждого варианта запуска; 3)вариантов запуска деталей в обработку. И наконец формируется вектор смещений начала обработки деталей на рабочих местах относительно первого рабочего места. Под смещением на связанной паре Щ рабочих мест понимается промежуток времени между базой отсчета( началом обработки деталей на подающем рабочем месте) и началом обработки деталей на получающем рабочем месте.
Состав входных - выходных документов информационной базы системы
Такие изменения, могут быть индивидуальными, например, меняется только время, наладки или под наладки и т.д. Они могут иметь и групповой характер, когда одновременно изменяется, и время наладки, и время подналадки. Однако при соответствующем формировании входных данных изменения группового характера могут рассматриваться, как индивидуальные. Следовательно, эти изменения могут вноситься в информационную базу процедурой, которая заключается в замене данных в массивах информационной базы данными из извещения об изменении.
Изменениями первого типа, относящимися к каждой обрабатываемой на поточной линии детали, являются изменения, связанные с ликвидацией деталей на поточной линии, изменения, норм расхода материала на деталь, изменения страхового задела деталей.
Изменения, связанные с ликвидацией деталей, означают изъятие ее из информационной базы с одновременным изъятием заделов деталей, созданных по старому чертежу. Этот вид изменений представляет собой частный случай процедуры внесения, изменений, связанных с аннулированием деталей на поточной линии.
В отличие от ликвидируемой детали аннулируемая деталь не подлежит запуску с момента введения изменения, так как созданный по ней задел должен быть обработан и полностью использован. В этом случае, как только детали задела, находящиеся в незавершенном производстве, будут обработаны полностью, информация о старых деталях полностью изымается. Изменение норм расхода материалов на деталь возникает при уточнении нормы или изменении заготовки. Уточненные нормы расхода материала на деталь поступают в информационную базу из обслуживающих систем в автоматизированную систему оперативного управления групповыми поточными линиями.
Изменения страхового задела деталей возникают в результате уточнения нормативов страховых заделов деталей. В данной АСУ групповыми поточными линиями нормативы страхового задела рассматриваются как данные, обеспечивающие необходимую надежность работы системы. Процедура внесения изменения страхового задела заключается в суммировании информации.
Для реализации описанных выше процедур внесения изменений первого типа необходимо информацию по вносимым изменениям отразить в соответствующих первичных документах.
Изменения, учитываемые периодически от варианта к варианту запуска, вызываются изменениями в конструкции изделий. Перечень основных типов изменений подразделяются на две группы. Изменения первой группы вводятся после использования заделов деталей, изготовленных по старым чертежам (изменения 1-3). Аварийные изменения вводятся с момента выпуска чертежа (изменения 4,5). Чтобы избежать срыва выполнения плана предприятия, для изготовления деталей по новым чертежам (задел забракован) необходимо иметь резерв оборудования и производственных рабочих. Проблема создания резервов представляет собою самостоятельную задачу и в настоящей работе не решается. Детали, изготовленные по старым чертежам, фактически ликвидируется и обработка имеющихся заделов по этой детали не включается в ежесменные графики загрузки рабочих мест поточной линии. Изготовление детали в следующем запуске по новым чертежам приводит к появлению новой детали на поточной линии. Изменения, в чертежах изделий, которые позволяют доработку задела деталей по старым чертежам, но требуют следующего запуска по новым, вызывают изменения: применяемости деталей по изделиям и состава деталей, обрабатываемых на поточной линии. Изменение применяемости детали в изделиях сводится к следующим случаям: изменяется количество деталей, идущих на одно изделие; деталь в изделия аннулируется; деталь включается в изделие (изделия). Изменение состава деталей на поточной линии в связи с изменением чертежа приводит к случаям; новая деталь включается в одну из существующих конструктивно-технологических групп, если состав рабочих мест группы не изменяется; новые детали образуют новую конструктивно-технологическую группу; аннулируется деталь группы; аннулируются детали, составляющие целую конструктивно- технологическую группу. Появление новых групп деталей или их аннулирование приводит к изменению состава рабочих мест поточной линии. Вопрос об изменении состава деталей в группе, о формировании новых групп деталей и ввода новых рабочих мест в поточную линию решается технологом. Изменения в информационных массивах второго типа, вызываемые изменениями в конструкции изделий, в результате можно разбигь на следующие виды: изменения по применяемости деталей в изделиях; изменения по аннулированию детали из группы; изменения по включению новой детали в группу; изменения по аннулированию группы деталей из числа обрабатываемых групп на поточной линии; изменения по включению новой группы деталей в обработку на поточной линии; изменения состава рабочих мест поточной линии. К изменениям второго типа относятся и технологические изменения, вызываемые изменениями гехнологического маршрута обработки деталей на поточной линии. Но изменение технологических маршрутов приводит к изменению сводного технологического маршрута обработки деталей поточной линии, т.е. к перерасчету поточной линии на стадии технологической подготовки поточной линии. Поэтому, на рассматриваемой стадии автоматизации управления групповым потоком (когда не проводится состыковки системы технологической подготовки поточной линии с автоматизированной системой оперативного управления ГПЛ) появляется необходимость введения ограничений на внесение изменений в информационную базу системы оперативного управления групповыми потоками.
